機電設備故障診斷與維修 課件 第一章 機電設備故障及零件失效機理

第一章機電設備故障及零件失效機理機電設備故障診斷

與維修技術概述機械零件的磨損金屬零件的腐蝕機械零件的變形1234目錄Contents機械零件的斷裂5概述第1節(jié)一、故障的含義從系統(tǒng)的觀點來看，故障包含兩層含義：一是機械系統(tǒng)偏離正常功能。其形成的主要原因是機械系統(tǒng)（含零部件）的工作條件不正常，這類故障通過參數調節(jié)或零部件修復即可消除，系統(tǒng)隨之恢復正常功能；二是功能失效。此時系統(tǒng)連續(xù)偏離正常功能，并且偏離程度不斷加劇，使機械設備基本功能不能保證，這種情況稱之為失效。一般零件失效可以更換，關鍵零件失效，則往往導致整機功能喪失。故障狀況是針對規(guī)定功能而言的。例如：同一狀態(tài)的車床，進給絲杠的損壞對加工螺紋而言是發(fā)生了故障；但對加工端面來說卻不算發(fā)生故障，因為這兩種加工所需車床的功能項目不同。故障研究要明確以下問題故障狀況隨規(guī)定對象的變化而不同。規(guī)定對象是指1臺單機或某些單機組成的系統(tǒng)或機械設備上的某個零部件。不同的對象在同一時間將有不同的故障狀況，例如：在1條自動化生產線上，某單機的故障造成整條自動線系統(tǒng)功能喪失時，表現出的故障狀態(tài)是自動線故障；但在機群式布局的車間里，就不能認為某單機的故障是全車間的故障。010203故障狀況應達到一定的程度，即應從定量的角度來估計功能喪失的嚴重性。圖1.1機電設備故障演變過程分類依據故障名稱按故障性質間歇性故障永久性故障按故障程度局部性故障整體性故障按故障形成速度突發(fā)性故障漸發(fā)性故障按故障形成原因操作或管理失誤形成的故障故障自然故障按故障造成的后果致命故障嚴重故障一般故障1.故障概率在規(guī)定時間內，機電設備發(fā)生故障的概率稱為故障概率，用F（t）表示。在規(guī)定時間內,無故障地完成其規(guī)定功能的概率,稱為故障概率，用R(t)表示。三、故障的規(guī)律（一）故障特征量2.故障率（1）瞬時故障率時間t時刻之前尚未發(fā)生故障,而在隨后的時間內可能發(fā)生故障的條件概率，稱為故障率λ(t)，又稱失效率。（2）平均故障率產品在某一段時間內單位時間發(fā)生故障的概率，稱為平均故障率。3.平均故障間隔期（MTBF）可修復設備在相鄰兩次故障間隔內正常工作時的平均時間，稱為平均故障間隔時間MTBF（MeanTimeBetweenFailure）。（二）故障率曲線三、故障的規(guī)律圖1.2故障率曲線機械零件的磨損第2節(jié)進入此階段，摩擦條件發(fā)生較大變化，如潤滑條件改變、零件幾何尺寸發(fā)生變化、配合零件間隙增大、產生沖擊載荷等使磨損速率急劇增加。摩擦副表面具有微觀波峰，使得零件間實際接觸面積較小，接觸應力很大，因此運行時零件表面的塑性變形與磨損的速度很高。010203磨合階段OA一、零件磨損的一般規(guī)律穩(wěn)定磨損階段急劇磨損階段圖1.3磨損特性曲線磨損速率小且穩(wěn)定，持續(xù)時間較長。1.磨料磨損的機理摩擦副一個表面上的凸起部分和另一表面接觸，或者兩摩擦面間存在著硬的質點，在發(fā)生相對運動時，兩個表面中的一個表面或兩個表面的材料發(fā)生轉移的磨損現象稱為磨料磨損。形式：鑿削式、高應力碾碎式、低應力擦傷式二、磨損的類型2.影響磨料磨損的主要因素（1）摩擦副

金屬材料硬度越高，耐磨性越好，馬氏體組織的材料耐磨性較高，而在相同硬度條件下，貝氏體又比馬氏體更耐磨，同樣硬度的奧氏體與珠光體相比，奧氏體的耐磨性要高得多。（2）磨料磨料磨損與磨料的粒度、幾何形狀、硬度有密切的關系。金屬的磨損量隨磨料尺寸增大而增加，但當磨料增大到一定尺寸（臨界尺寸一般為60~100μm）時，磨損速率就基本保持不變了。棱角尖銳的磨料，比圓滑磨料切削能力更強，因此磨損速率較高；磨料硬度高，相對于摩擦表面材料硬度越大，磨損速率越高，磨損越嚴重。（3）壓力對磨損的影響磨損速率與壓力成正比。因為壓力減小，磨料嵌入深度減小，作用在表面上的力也減小，所以磨損速率下降。

（一）磨料磨損1.疲勞磨損的機理摩擦副材料表面上局部區(qū)域在循環(huán)接觸應力作用下，產生疲勞裂紋，分離出微片和顆粒的一種磨損形式。有滾動接觸疲勞磨損和滑動接觸疲勞磨損兩種形式。滾動軸承、傳動齒輪等表面間的麻點和脫落現象屬于疲勞磨損。二、磨損的類型（二）疲勞磨損2.影響接觸疲勞磨損的主要因素

（1）材質通常晶粒均勻、細小、碳化物成球狀均勻分布的組織，其抗疲勞裂紋產生的能力較強；材料內部的缺陷，如鋼中存在非金屬夾雜物，則極易引起應力集中，使夾雜物邊緣形成裂紋，從而降低材料的接觸疲勞強度；材料硬度在一定范圍內增加，其抗疲勞磨損的能力也隨之增加。（2）接觸表面質量減小表面粗糙度值、減小形狀誤差，可以均衡接觸應力，從而有效提高抗疲勞磨損的能力。

（3）其他因素表面應力大小、配合間隙大小、潤滑油使用過程中產生的腐蝕性介質等都對疲勞磨損產生影響。1.黏著磨損的機理摩擦副在重載條件下工作，由于潤滑、運動速度、散熱等原因，摩擦副表面產生極高溫度，材料表面強度降低，使承受高壓的表面凸起部分相互粘著，繼而在相對運動中被撕裂下來，使材料從強度低的表面上轉移到材料強度高的表面上，造成摩擦副的災難性破壞。二、磨損的類型（三）黏著磨損2.影響?zhàn)ぶp的主要因素（1）摩擦副表面材料成分與組織

構成摩擦副的兩摩擦表面的材料，其互溶性越好，越易形成固溶體或金屬化合物，粘著傾向越大。同類金屬或原子結構、晶體結構相近的材料，比性質有明顯差異的材料更易發(fā)生粘著磨損。因此，在選擇摩擦副的材料時應選用異種材料，且性質差異越大越好。

（2）摩擦副表面狀態(tài)摩擦副表面潔凈、無吸附膜，易產生粘著磨損。金屬表面經常存在吸附膜，當有塑性變形后，金屬滑移吸附膜被破壞，或者溫度升高（一般認為達到100——200℃時），吸附膜也會破壞。吸附膜破壞后，摩擦副兩表面直接接觸，因此極易導致粘著磨損的發(fā)生。

1.微動磨損的機理兩個接觸表面之間沒有宏觀相對運動，但在外界變動載荷影響下卻有小振幅的相對振動（振幅小于100，一般為2-20），在這種情況下，表面間產生磨損現象。微動磨損使金屬表面出現麻點或溝紋，這些麻點或溝紋的周圍有腐蝕產物。二、磨損的類型（四）微動磨損2.影響微動磨損的主要因素

（1）載荷微動磨損隨載荷增加而增加，但當載荷超過某一臨界值時，微動磨損現象隨載荷的增加反而減少。原因是：當載荷低于臨界值時，隨著載荷增加，微凸體塑性變形增加，使產生微動磨損的區(qū)域擴大，引起磨損速度增快；而當載荷超過臨界值時，表層的塑性變形與次表層的彈性變形均增加，限制了表面之間的相對振幅，降低了沖擊效應，即使發(fā)生粘著也不容易剪斷，中止了磨損過程。實踐中，常常運用這一原理，用增大連接力或過盈量的方法來降低微動磨損。（2）材質性能提高材料硬度，合理選擇摩擦副材料可以減少粘著的發(fā)生，對防止微動磨損有利。如當硬度從180HBS提高到700HV時，微動磨損可降低50%；經過噴丸、滾壓、磷化、鍍鎘、鍍銅等處理的表面，也可降低或消除微動磨損。

金屬零件的腐蝕第3節(jié)

金屬化學腐蝕是由單純化學作用引起的腐蝕。當金屬零件表面材料與周圍的氣體或非電解質液體中的有害成分發(fā)生化學反應時，金屬表面形成腐蝕層，在腐蝕層不斷脫落又不斷生成的過程中，零件便被腐蝕了。與機械零件發(fā)生化學反應的有害物質主要是氣體中的O2、H2S、SO2等及潤滑油中某些腐蝕性產物。一、金屬零件的化學腐蝕

影響氧化磨損的主要因素是氧化膜的致密、完整程度以及其與基體結合的牢固程度，若氧化膜緊密、完整無孔、與金屬基體結合牢固則氧化膜的耐磨性就好，不易被磨掉，有利于防止金屬表面的腐蝕。

電化學腐蝕是一種復雜的物理與化學腐蝕過程。它是金屬與電解質物質接觸時產生的腐蝕，與化學腐蝕的不同之處在于腐蝕過程中有電流產生。二、金屬零件的電化學腐蝕形成電化學腐蝕的基本條件是：（1）有兩個或兩個以上的不同電極電位的物體或在同一物體中具有不同電極電位的區(qū)域，以形成正、負極；（2）電極之間需要有導體相連接或電極直接接觸，使腐蝕區(qū)電荷可以自由流動；（3）有電解質溶液存在。

形成電化學腐蝕的基本條件

這三個條件與形成原電池的基本條件相同。

原電池的工作過程是：作為陽極的鋅被溶解，作為陰極的銅未被溶解，在電解質溶液中有電流產生。電化學腐蝕原理與此基本相同。因此，電化學腐蝕可定義為是具有電位差的兩個金屬極在電解質溶液中發(fā)生的具有電荷流動特點的連續(xù)不斷的化學腐蝕。常見的電化學腐蝕形式當金屬零件或構件表面出現均勻的腐蝕組織時，稱為均勻腐蝕。均勻腐蝕可以在液體、大氣或土壤中產生。，均勻腐蝕01金屬件的大部分表面不發(fā)生腐蝕或腐蝕很輕微，但是局部地方出現腐蝕小孔，并向深處發(fā)展的腐蝕現象。小孔腐蝕02當腐蝕介質進入這些縫隙并處于常留狀態(tài)時，就會引發(fā)縫隙處的局部腐蝕。縫隙腐蝕03二、金屬零件的電化學腐蝕承受交變應力的金屬機件，在腐蝕環(huán)境下發(fā)生疲勞強度或疲勞壽命降低，乃至斷裂破壞的現象稱為腐蝕疲勞或腐蝕疲勞斷裂。腐蝕疲勞04三、氣蝕

當零件與液體接觸并產生相對運動，接觸處的局部壓力低于液體蒸發(fā)壓力時，就會形成氣泡，這些氣泡運動到高壓區(qū)時，會受到外部強大的壓力被壓縮變形，直致壓潰破裂。氣泡在被迫潰滅時，由于潰滅速度高達250m/s，故瞬間可產生極大的沖擊力和高溫，在沖擊力和高溫的作用下，局部液體會產生微射流，此現象稱為水擊現象。若氣泡是緊靠在零件表面破裂的則該表面將受到微射液流的沖擊，在氣泡形成與破滅的反復作用下，零件表面材料不斷受到微射液流的沖擊，從而產生疲勞而逐漸脫落，初時呈麻點狀，隨著時間延長，逐漸擴展成泡沫海綿狀，這種現象稱為氣蝕。當氣蝕嚴重時，可擴展為很深的孔穴，直到材料穿透或開裂而破壞，因此氣蝕又稱為穴蝕。

氣蝕是一種比較復雜的破壞現象，它不單有機械作用，還有化學、電化學作用，當液體中含有雜質或磨粒時會加劇這一破壞過程。氣蝕常發(fā)生在柴油機缸套外壁、水泵零件、水輪機葉片、液壓泵等處。1．減少與液體接觸的表面的振動，以減少水擊現象的發(fā)生，可采用增加剛性、改善支承、采取吸振措施等方法。2．選用耐氣蝕的材料，如球狀或團狀石墨的鑄鐵、不銹鋼、尼龍等。3．零件表面涂塑料、陶瓷等防氣蝕材料，也可在表面鍍鉻。4．改進零件結構，減小表面粗糙度值，減少液體流動時產生渦流現象。5．在水中添加乳化油，減少氣泡爆破時的沖擊力。

減輕氣蝕的措施主要有：機械零件的變形第4節(jié)

彈性變形是當外力去除后，能完全恢復的那一部分變形。

材料彈性變形后會產生彈性后效，即當外力驟然去除后，應變不會全部立即消失，而只是消失一部分，剩余部分在一段時間內逐步消失，這種應變總落后于應力的現象就稱為彈性后效。彈性后效發(fā)生的程度與金屬材料的性質、應力大小、狀態(tài)以及溫度等有關，金屬組織結構越不均勻，作用應力越大，溫度越高，則彈性后效越大。通常，經過校直的軸類零件過了一段時間后又會發(fā)生彎曲，就是彈性后效的表現。消除彈性后效現象的辦法是長時間回火，以使應力在短時間內徹底消除。一、彈性變形

塑性變形是指外力去除后不能恢復的那部分變形。

金屬零件的塑性變形從宏觀形貌特征上看有體積變形、翹曲變形和時效變形。體積變形是指金屬零件在受熱與冷卻過程中，由于金相組織轉變引起比容變化，導致零件體積脹縮的現象。翹曲變形就是指零件產生翹曲或歪扭的塑性變形，其翹曲的原因是零件發(fā)生了不同性質的變形（彎曲、扭轉、拉壓等）和不同方向的變形（空間X、Y、Z軸方向），此種變形多見于細長軸類、薄板狀零件以及薄壁的環(huán)形和套類零件。二、塑性變形01設計方面02加工方面

在充分考慮機構功能和零件強度的同時，要重視零件剛度和變形問題以及零部件在制造、裝配和使用中可能發(fā)生的問題。如設計時，要盡量使零件壁厚均勻，以減少熱加工時的變形；要盡量避免尖角、棱角，改為圓角、倒角，以減少應力集中等。此外，還應注意新材料、新工藝的應用，以求改變傳統(tǒng)加工工藝，減少產生變形的可能性。

對熱加工毛坯，要特別注意殘余應力消除問題。制造工藝中，要安排自然時效或人工時效工序，讓毛坯內部的應力得到充分釋放。

機械加工階段，要分粗、精加工兩個階段進行。粗加工階段完成后，應給零件安排一段存放時間，消除粗加工階段產生的應力；對于高精度零件，還應在半精加工后安排人工時效，徹底消除應力。二、塑性變形減輕塑性變形危害的對策機械零件的斷裂第5節(jié)

斷裂是指機械零件在某些因素作用下，發(fā)生局部開裂或分裂為若干部分的現象。零件斷裂后形成的斷口能夠真實記錄斷裂的動態(tài)變化過程。通過斷口分析，能判斷發(fā)生斷裂的主要原因，從而為改進設計、合理修復提供有益的信息。按斷裂的原因可將斷裂分為脆性斷裂、疲勞斷裂、過載斷裂等。

一、脆性斷裂

脆性斷裂零件是斷裂前無明顯的塑性變形，發(fā)展速度極快的一種斷裂形式。脆性斷裂的發(fā)生具有突然性，是一種非常危險的斷裂破壞形式。（1）金屬材料發(fā)生脆性斷裂時，一般工作應力并不高，通常不超過材料的屈服點，甚至不超過許用應力，所以脆性斷裂又稱為低應力脆斷。（2）脆性斷裂的斷口平整光亮，斷口斷面大體垂直于主應力方向，沒有或只有微小的屈服及減?。i縮）現象，表現為冰糖狀結晶顆粒。（3）斷裂前無征兆，斷裂是瞬時發(fā)生的。脆性斷裂的主要特征氫脆斷裂原因一、脆性斷裂氫壓致斷：金屬材料在冶煉、熱處理、軋制、鍛壓等過程中溶解了大量氫，冷卻后，材料中析出的氫分子和氫原子在內部擴散，并在材料中的微觀缺陷處或薄弱處聚集，形成壓力巨大的氫氣氣泡，在氣泡處出現裂紋。隨著氫擴散——聚集過程繼續(xù)，氣泡進一步生長，裂紋進一步擴張，直至相互連接、貫通，最后引起材料過早斷裂。晶格脆化致斷：材料中的固溶氫和外界滲入的氫通過晶界擴散，在晶界的薄弱處滯留、聚集，許多晶界的強度因此受到破壞。在這個過程中，氫原子的電子也會擠入金屬原子的電子層中，使金屬原子之間相互排斥，造成晶格之間的結合力的降低。在較低的工作應力作用下，甚至在材料自身殘余應力作用下，發(fā)生脆斷。氫腐蝕致斷：材料在熱軋、鍛造或熱處理等高溫（200℃以上）加工中，其內部固溶氫和外界滲入的氫，與金屬材料中的夾雜物及合金添加劑起反應生成高壓氣體，這些氣體在材料內部擴散轉移，晶界遭受破壞，最終導致脆性斷裂。二、疲勞斷裂疲勞裂紋擴展階段：第一階段為切向擴展階段，即在循環(huán)應力反復作用下，表面裂紋沿最大應力方向的滑動面，向零件內部逐漸擴展。因最初的滑移是由最大剪應力引起的，故擠入槽與擠出峰原始裂紋源均與拉伸應力成±45o角方向擴展。第二個階段為正向擴展（亞臨界擴展）階段，此階段裂紋的擴展方向改變?yōu)檠嘏c正應力相垂直的方向。

疲勞裂紋萌生階段：在交變載荷作用下，材料表層局部發(fā)生塑性變形，晶體產生滑移，出現滑移線或滑移帶，滑移積累以后，在表面形成微觀擠入槽與擠出峰。010203最終瞬斷（臨界擴展）階段：裂紋在零件上擴展深度達到一定值（臨界尺寸），零件殘余斷面不能承受其載荷，裂紋由穩(wěn)態(tài)擴展轉化為失穩(wěn)態(tài)擴展，整個斷面的殘余面積便會在瞬間斷裂。根據斷裂前應力循環(huán)次數的多少，疲勞斷裂可分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞是指斷裂前所經歷的應力循環(huán)次數在105以上，而承受的應力則低于材料的屈服點，甚至低于彈性極限狀態(tài)下發(fā)生的疲勞，軸、彈簧等零部件的失效，一般屬于高周疲勞破壞。當零部件斷裂前經歷的循環(huán)次數在102—105時，稱為低周疲勞。低周疲勞的零部件，一般承受的循環(huán)應力較高，接近或超過材料的屈服點。

金屬零件經過一定次數的循環(huán)載荷或交變應力作用后引發(fā)的斷裂現象，稱為疲勞斷裂。機械零件使用中的斷裂有80%是由疲勞引起的。（一）疲勞斷裂的機理圖1-6在滑移帶形成的擠入槽與擠出峰二、疲勞斷裂疲勞裂紋擴展區(qū)：該區(qū)是斷口上最重要的特征區(qū)，常呈貝紋狀或海灘波紋狀。每一條紋線標志著載荷變化（如機器開動或停止）時，裂紋擴展一次所留下的痕跡。這些紋線以疲勞核心為中心向四周推進，與裂紋擴展方向垂直。疲勞斷口上的裂紋擴展區(qū)越光滑，說明零件在斷裂前，經歷的載荷循環(huán)次數越多，接近瞬斷區(qū)的貝紋線越密，說明載荷值越小。如果這一區(qū)域比較粗糙，表明裂紋擴展速度快，載荷比較大。疲勞核心區(qū)：一般出現在強度最低、應力最高、靠近表面的部位。但如材料內部有缺陷，這個疲勞核心也可能在缺陷處產生。如承受彎扭載荷的零件，表面應力最高，一般疲勞核心在表面。如果表面經過了強化處理（如滾壓、噴丸等），則疲勞裂紋可移至表層以下。

零件在加工、貯運、裝配過程中留下的傷痕，極有可能成為疲勞核心。疲勞核心的數目與載荷大小有關，特別是對旋轉彎曲和扭轉交變載荷作用下的斷口，疲勞核心的數目隨著載荷的增大而增多,可能會出現兩個或兩個以上的疲勞核心。01020